一种可热处理的800MPa级压力容器用焊条的制作方法

一种可热处理的800mpa级压力容器用焊条
技术领域
1.本发明属于焊接材料领域，特别涉及一种可热处理的800mpa级压力容器用焊条。


背景技术：

2.低合金高强度钢(hsla)的研制与开发，在材料科学的发展历程中具有极其重要的意义。hsla钢是为适应大型工程构件减轻结构重量、提高使用可靠性及节约钢材的需求而发展起来的。在当今能源短缺、资源匮乏的大时代背景下，hsla钢作为一种高效材料，以其较低的成本和优良的性能显示了强大的发展潜能，在海洋平台、船舶、桥梁、机械装备、储罐等领域已经得到了广泛的应用，hsla钢的强度级别也在不断提升，800mpa系列高强钢板市场使用量逐渐增多。
3.近年来，随着我国能源、石油、化工等工业产业的迅速发展高强度、高韧性压力容器用钢近年取得了长足的发展。石化、氢能等相关产品的储存关乎国家能源安全，有着重要的、不可替代的作用。我国储罐罐体日益向大型化方向发展，不同于高强度桥梁、钢结构，压力容器是一种能够承受压力的密闭容器，因使用过程中要承受各种复杂的情况，压力容器对安全性和可靠性提出了极高的要求。因此，对焊接接头的可靠性也要求极高，故配套焊材的质量必须保证。对于压力容器的焊接，若采用800mpa强度级别的材料，其强度、韧性和焊接难度将大幅提高，焊接结构的安全可靠性是一大难点。
4.大型压力容器、储罐因工件大、壁厚、拘束应力也大，且制造过程为了提高生产效率，还需要进行大线能量焊接，从而导致更大的残余应力，危害焊接结构服役的安全性与可靠性。且800mpa级以上的调质钢虽然c当量较低且综合性能优良，但还是有较明显的淬硬倾向，必须通过焊后热处理来消除和缓解。研究表明，低合金高强度钢焊缝金属随着板厚增加，热处理时间也需延长。在450℃-650℃进行高温回火时保温时间延长容易造成高温回火脆性，主要原因是随着保温时间延长，会伴随金相组织的长大粗化、析出物长大以及成分偏析，最终导致焊缝金属力学性能变差。强度等级越高，则热处理后焊缝金属韧性劣化越显著。国内目前可提供部分可热处理焊接材料，热处理制度通常为500℃-650℃
×
1-2h，且材料强度等级较低(一般在650mpa以下)，暂无针对800mpa级钢可热处理的配套焊条。
5.此外高强度钢还存在屈强比高(达到0.90以上)等技术难题，一直困扰高强度压力容器的设计和施工。随着强度的升高，焊缝金属屈强比不断升高，高屈强比对焊接结构的安全性和可靠性不利，当屈服强度达到690mpa，抗拉强度高于800mpa时，屈强比高达0.90-0.95，严重制约了800mpa级别压力容器用钢的设计和应用。且其在热处理后，韧性急剧下降，且随着板厚的增加，热处理时间延长，韧性劣化愈加明显。急需开发可热处理且低屈强比的高韧性焊材，以满足800mpa级高强度压力容器的建设要求。
6.因此，设计研发可热处理的800mpa级压力容器钢用配套焊材，满足市场需求，降低制造成本和提高建造效率，具有十分重大的意义。


技术实现要素：

7.为解决上述技术问题，本发明提供一种可热处理的800mpa级压力容器用焊条，采用cao-mgo-baf
2-sio
2-zr2o3渣系、低合金碳钢焊芯和低c、低si、中mn-ni-mo、含cu、微ti、v合金体系，所述药皮占焊条总重量的重量系数为0.45-0.65，合金元素由焊芯和药皮共同过渡。具有优异的全位置焊接工艺性能，机动灵活、能用于各焊接位置的焊接需求，品质稳定、适应性广。其焊缝金属在焊态和580
±
20℃
×
2-8h热处理后，焊缝金属仍具有高强度和高韧性，焊缝金属屈强比在0.82-0.88之间，焊态和热处理态焊缝金属均满足，屈服强度≥690mpa，抗拉强度≥800mpa，-60℃冲击≥80j，能与800mpa级超高强度压力容器配套。
8.为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：一种可热处理的800mpa级压力容器用焊条，由焊芯和药皮构成，药皮涂敷于焊芯外壁，药皮占所述焊条总重量系数的0.45-0.65，所述焊芯为超低碳低合金碳钢焊芯，所述药皮采用cao-mgo-baf
2-sio
2-zr2o3渣系，所述焊条的焊缝金属合金元素由焊芯和药皮共同过渡。
9.(a)以焊芯总重量为基准，按重量百分比计，所述低合金碳钢焊芯的组分如下：
10.c：≤0.04％；
11.si：≤0.10％；
12.mn：0.35-0.6％；
13.p：≤0.008％；
14.s：≤0.008％；
15.p+s：≤0.015％；
16.ni：3.0-3.75％；
17.v：0.08-0.26％；
18.ti：0.015-0.050％；
19.fe：余量；
20.(b)以药皮总重量为基准，按重量百分比计，药皮的组分如下：
21.白云石：26-40％；
22.氟化钡：8-15％；
23.冰晶石：2-4％；
24.钇基氟化稀土：1-3％；
25.石英：6-12％；
26.锆砂：3-8％；
27.金属锰：5-8％；
28.稀土硅铁：2-5％；
29.镍粉：3-5％；
30.钼铁；1.2-2.6％；
31.铜粉：0.4-1.5％；
32.滑石粉：0.5-1.0％；
33.海藻酸盐：0.5-2.5％；
34.铁粉：余量。
35.其中，以重量百分比计，所述可热处理的800mpa级压力容器用焊条的焊缝金属的
组分如下：
36.c：0.030-0.060％；
37.si：0.10-0.25％；
38.mn：0.80-1.50％；
39.p：≤0.008％；
40.s：≤0.005％；
41.p+s：≤0.012％；
42.ni：3.0-5.5％；
43.mo：0.3-0.6％；
44.cu：0.15-0.75％；
45.ti：0.008-0.030％；
46.v：0.05-0.15％；
47.fe：余量。
48.其中，所述可热处理的800mpa级压力容器用焊条的焊缝金属还具有以下特征：
49.(％ni+％cu)/(％c)≥70；
50.％mn+％mo≤1.8％；
51.(1.57
×
％c
0.5
+7.86
×
％si+23.23
×
％p+8.17
×
％s)
×
(1.21
×
％mn+2.65
×
％mo)≤5.25。
52.其中，所述可热处理的800mpa级压力容器用焊条的焊缝金属屈强比在0.82-0.88之间。
53.本发明还提供所述可热处理的800mpa级压力容器用焊条的制备方法，包括以下步骤：
54.1)将药皮各组分按比例混合均匀；其中，石英、锆砂和滑石粉所属的硅酸盐矿物先经800-850℃烘干；
55.2)加入药皮总重量15-30％的硅酸钾、硅酸钠混合水玻璃，搅拌混合均匀后，以油压式涂装机将药皮粉均匀涂覆于焊芯上；
56.3)焊条涂装完成后，分别经低温、高温烘焙，低温烘焙温度为60-100℃
×
2h，高温烘焙温度为300-400℃
×
1h，得到可热处理的800mpa级压力容器用焊条。
57.其中，所述硅酸钾、硅酸钠混合水玻璃的模数2.6-3.2，浓度38-43be
′
。
58.本发明采用低合金碳钢焊芯，焊缝合金由焊芯和药皮共同过渡，一方面相较于纯药皮过渡在焊接时会有更好的化学和组织均匀性，因而接头质量更有基础保障；也能避免药皮中合金添加过多，药皮过厚，影响全位置焊接操控性；另一方面，部分微量关键合金元素由药皮补充添加，较单独开炉冶炼具有更加明显的经济效益。
59.本发明焊条的焊缝金属低c、低si、中mn-ni-mo、含cu、微ti、v合金体系是设计的关键。低c和si的成分设计能减少回火热处理下hlsa钢中m-a岛的产生，对于改善回火热处理态的低温韧性大有裨益，此外低c含量也能避免在热处理过程析出过多脆硬碳化物。而mn、cr、mo一方面能显著降低hlsa钢的bs点，促进m-a岛的产生并阻止回火过程中m-a岛的分解(对焊缝冲击有损害)，但另一方面这些元素和c形成的合金渗碳体又有提高抗回火软化的能力，故为了平衡焊缝金属强度和韧性的匹配，本发明采用中mn，无cr，低mo的成分设计。微
量的v和ti能细化晶粒，能和微量的c通过固溶强化提高焊缝强度，还能细化晶粒、在回火过程中提高钢的回火性，改善回火后的焊缝冲击韧性。高比例的ni是hsla钢回火韧性的关键保障，经反复大量试验探发现较高比例的ni搭配少量的cu能明显改善hsla钢回火后的冲击韧性。
60.此外，焊缝金属合金成分设计和控制是本发明的关键，需满足：
61.(％ni+％cu)/(％c)≥70；
62.％mn+％mo≤1.8％；
63.(1.57
×
％c
0.5
+7.86
×
％si+23.23
×
％p+8.17
×
％s)
×
(1.21
×
％mn+2.65
×
％mo)≤5.25。
64.以上成分设计的理由在于：
65.①
减轻焊缝在凝固过程中c、mn、mo、p、s等元素共轭偏析的程度，抑制焊接及热处理过程中高c马氏体的产生，改善焊缝低温韧性；
66.②
增大马氏体临界相变冷却速度，促进形成低碳回火马氏体，使焊缝获得良好的回火韧性；
67.③
减少焊接热循环作用下热影响区和热处理过程中m-a岛的数量和尺寸，改善热影响区和焊缝在热处理后的冲击韧性。
68.本发明焊缝金属在焊态和580
±
20℃
×
2-8h热处理后，焊缝金属仍具有高强度和高韧性，焊态和热处理态焊缝金属均满足，屈服强度≥690mpa，抗拉强度≥800mpa，-60℃冲击≥80j。
69.本发明焊条的焊缝金属屈强比较低(＜0.9)，在0.82-0.88之间。
70.本发明中焊条药皮的作用主要是造气、造渣、脱氧和向焊缝过渡合金等。在药皮的设计上，采用cao-mgo-baf
2-sio
2-zr2o3渣系，碱度适中，添加9-20％的酸性氧化物，具有良好的全位置焊接性，控制焊缝金属400-500ppm的氧含量确保能提供足够的氧化物形核质点，细化晶粒，改善焊缝组织和韧性。少量的氟化稀土和稀土合金能够进一步净化提纯焊缝、细化晶粒、改善焊缝组织。
71.以下具体分析本技术中药皮主要组分在焊条中各自发挥的作用。
72.焊条中碳酸盐的主要作用为造渣和造气，分解产生的cao、mgo系碱性氧化物，能提高熔渣碱度，细化熔滴，并具有脱s、p的作用，提高焊缝金属的抗裂纹能力，还有调节熔渣熔点、粘度、表面和截面张力的作用。本发明中碳酸盐采用的是白云石，含量控制在26-40％。
73.本发明中氟化物采用的是baf2、冰晶石和钇基氟化稀土，可调节渣的熔点，对降低焊缝气孔，改善熔渣的物理性能，改善焊缝成型、脱渣等起关键作用，氟化物可以降低液态金属的表面张力，有调整熔融焊渣的黏性改善焊渣覆盖性的效果，使得焊缝成型美观，降低焊缝形成气孔的缺陷。本发明焊条中氟化物的含量为11-22％。
74.从石英、锆砂和硅酸钾钠水玻璃等得到的硅氧化物能够调整熔融焊渣的黏性使得焊渣覆盖性良好，并且改善焊道外观及焊道形状。但过高的硅氧化物比例，会使焊缝o含量过高，从而降低焊缝的力学性能，尤其是低温冲击韧性。因此药皮中的硅氧化物组分比例控制在9-20％。
75.铁合金及其它金属粉的主要作用在于脱氧和过渡合金，保证焊缝中合金元素成分，平衡焊缝强度、抗裂性、抗疲劳性和冲击韧性并通过合理的元素设计以达到最佳的热处
理态强韧性匹配。稀土硅铁和钇基氟化稀土除了脱氧外，还有向焊缝过渡稀土元素，而起到净化和除杂的作用，同时还有一定的除氢作用，但成本十分高昂，本发明钇基氟化稀土和稀土合金的含量控制在3-8％。
76.粘结剂采用硅酸钾和硅酸钠混合水玻璃，搭配海藻酸盐和滑石粉改善焊条涂装性，水玻璃除了涂装粘结焊条，还有造渣、调整熔渣状态和稳弧的作用。
77.以上为本发明的药皮成分组成限制理由。残余部分为铁及无法避免的杂质。
78.本发明采用cao-mgo-baf
2-sio
2-zr2o3渣系、低合金碳钢焊芯和低c、低si、中mn-ni-mo、含cu、微ti、v合金体系。焊条合金成分由焊芯和药皮共同过渡，具有更精准的成分控制，还具有相对于纯芯线过渡更明显的经济效益，使本发明可热处理的800mpa级压力容器用焊条具有优异的全位置焊接工艺性能，其焊缝金属在焊态和580
±
20℃
×
2-8h热处理后，焊缝金属仍具有高强度和高韧性，焊态和热处理态焊缝金属均满足，屈服强度≥690mpa，抗拉强度≥800mpa，-60℃冲击≥80j，能用于800mpa级超高强度压力容器的建造。
具体实施方式
79.下面结合具体实施例对本技术的技术方案作进一步的描述，但本技术并不限于这些实施例。
80.本发明由焊芯和药皮组成，药皮涂覆在焊芯外，采用低合金碳钢焊芯，其焊芯组分(重量百分比％)如下表：
81.表1：本发明焊芯组分(重量百分比％)
[0082][0083]
为更好理解地本发明，下面通过实施例1-5来进一步说明。实施例1-5的焊芯组成见表2。
[0084]
表2：实施例焊芯成分(重量百分比％)
[0085][0086]
药皮采用cao-mgo-baf
2-sio
2-zr2o3渣系，药皮占焊条全重量比例为0.45-0.65，芯线直径为2.6mm，3.2mm，4.0mm，其药皮组分实施例见表3。
[0087]
表3实施例药皮组成(重量百分比％)
[0088][0089]
各实施例焊缝金属化学成分见表4。
[0090]
表4实施例焊缝金属成分(重量百分比％)
[0091][0092]
说明：1、a系数＝(％ni+0.83％cu)/％c≥70；
[0093]
2、b系数＝1.57
×
％c
0.5
+7.86
×
％si+23.23
×
％p+8.17
×
％s)
×
[0094]
(1.21
×
％mn+2.65
×
％mo)≤5.25；
[0095]
3、c系数＝％mn+％mo≤1.80％
[0096]
各实施例对应焊态及热处理态焊缝金属机械性能、低温冲击、屈强比测试结果见
表5。
[0097]
表5实施例焊缝金属机械性能
[0098][0099][0100]
由上述实施例可见，本发明焊条具有优异的焊接性，在焊态和热处理态下都具有高强度、较低的屈强比和较高的低温冲击韧性。其芯线采用低合金碳钢焊芯，合金元素由芯线和药皮共同过渡。其焊缝金属采用低c、低si、中mn-ni-mo、含cu、微ti、v合金体系，其焊缝金属相比同类800mpa级钢用焊材具有较低的屈强比0.82-0.88(＜0.9)，在焊态和580
±
20℃
×
2-8h热处理后，焊缝金属仍具有高强度和高韧性，焊态和热处理态焊缝金属均满足，屈服强度≥690mpa，抗拉强度≥800mpa，-60℃冲击≥80j，能满足800mpa级压力容器的建造需求。
[0101]
以上所述的仅是本技术的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员
来说，在不脱离本技术创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。

技术特征：
1.一种可热处理的800mpa级压力容器用焊条，由焊芯和药皮构成，药皮涂敷于焊芯外壁，药皮占所述焊条总重量系数的0.45-0.65，其特征在于，所述焊芯为超低碳低合金碳钢焊芯，所述药皮采用cao-mgo-baf
2-sio
2-zr2o3渣系，所述焊条的焊缝金属合金成分由焊芯和药皮共同过渡；(a)以焊芯总重量为基准，按重量百分比计，所述焊芯的组分如下：c：≤0.04％，si：≤0.10％，mn：0.35-0.60％，p：≤0.008％，s：≤0.008％，p+s：≤0.015％，ni：3.0-3.75％，v：0.08-0.26％，ti：0.015-0.050％，fe：余量；(b)以药皮总重量为基准，按重量百分比计，所述药皮的组分如下：白云石：26-40％，氟化钡：8-15％，冰晶石：2-4％，钇基氟化稀土：1-3％，石英：6-12％，锆砂：3-8％，金属锰：5-8％，稀土硅铁：2-5％，镍粉：3-5％，钼铁；1.2-2.6％，铜粉：0.4-1.5％，滑石粉：0.5-1.0％，海藻酸盐：0.5-2.5％，铁粉：余量。2.根据权利要求1所述的可热处理的800mpa级压力容器用焊条，其特征在于，以重量百分比计，所述焊条的焊缝金属的组分为：c：0.030-0.060％，si：0.10-0.25％，mn：0.80-1.50％，p：≤0.008％，s：≤0.005％，p+s：≤0.012％，ni：3.0-5.5％，mo：0.3-0.6％，cu：0.15-0.75％，ti：0.008-0.030％，v：0.05-0.15％，fe：余量。3.根据权利要求1-2任一所述的可热处理的800mpa级压力容器用焊条，其特征在于，所述可热处理的800mpa级压力容器用焊条的焊缝金属还具有以下特征：(％ni+0.83％cu)/(％c)≥70；％mn+％mo≤1.80％；(1.57
×
％c
0.5
+7.86
×
％si+23.23
×
％p+8.17
×
％s)
×
(1.21
×
％mn+2.65
×
％mo)≤5.25。4.根据权利要求1-2任一所述的可热处理的800mpa级压力容器用焊条，其特征在于，所述焊条的焊缝金属屈强比在0.82-0.88之间。5.如权利要求1所述的可热处理的800mpa级压力容器用焊条的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：1)将药皮各组分按比例混合均匀；其中，石英、锆砂和滑石粉所属的硅酸盐矿物先经800-850℃烘干；2)加入药皮总重量15-30％的硅酸钾、硅酸钠混合水玻璃，搅拌混合均匀后，以油压式涂装机将药皮粉均匀涂覆于焊芯上；3)焊条涂装完成后，分别经低温、高温烘焙，低温烘焙温度为60-100℃
×
2h，高温烘焙温度为300-400℃
×
1h，得到所述可热处理的800mpa级压力容器用焊条。6.根据权利要求5所述的可热处理的800mpa级压力容器用焊条的制备方法，其特征在于，所述硅酸钾、硅酸钠混合水玻璃的模数2.6-3.2，浓度38-43be
′
。

技术总结
本发明公开了一种可热处理的800MPa级压力容器用焊条，所述焊条由焊芯和药皮构成，焊芯为低合金碳钢芯线，药皮涂敷于焊芯外壁，焊缝金属由芯线和药皮共同过渡，采用低C、低Si、中Mn-Ni-Mo、含Cu、微Ti、V合金体系。本发明焊条在焊态和580


技术研发人员：周峙宏 成双 王登峰 程浩
受保护的技术使用者：昆山京群焊材科技有限公司
技术研发日：2023.06.01
技术公布日：2023/7/22